论文总字数：24218字

摘 要

无线光通信最早在20世纪70年代被提出，当时主要研究的是红外无线通信，而伴随着发光二极管（LED）的出现，使得可见光通信成为目前研究的热点。与红外无线通信相比，可见光无线通信具有以下优点：频谱无需授权，对人体没有危害，具有高保密性。

一开始，无线光通信的调制方式为单载波调制方式，例如OOK，随着技术的发展，单载波调制方式越来越不能满足现实的要求，取而代之的就是多载波调制方式。

本文研究了几种多载波无线通信的算法，并在这些算法的基础上提出了增强型的算法。本文首先介绍了正交频分复用的原理，以及将这种算法应用在可见光通信上的优点，之后主要介绍了正交频分复用的两种形式：加了直流偏置的OFDM（DCO-OFDM）与非对称削减OFDM（ACO-OFDM），并且利用matlab软件仿真了不同条件下在AWGN信道和多径信道下的误码率，并在此基础上提出了基于这两种方法的加强型算法，最后，仿真了结合两种正交频分复用的新的系统ADO-OFDM。在仿真的过程中，也将这几种不同的算法进行了比较，归纳了不同算法的优缺点。

关键词 可见光通信 多载波 正交频分复用 ACO-OFDM DCO-OFDM ADO-OFDM

ABSTRACT

Wireless optical communication is proposed in the 70s of the 20th century and the main research area is wireless infrared communication. Accompanied by the emergence of light-emitting diode (LED), the visible light optical communication has become the research hotspot. Compared with the infrared wireless communication, the visible light wireless communication has the following advantages: no strict spectrum regulation, no potential damage to human health, and has high security.

The modulation of the optical wireless communication is single carrier modulation at first, such as OOK. Along with the development of technology, single-carrier modulation has been increasingly unable to meet the realistic requirements, which instead calls for multi carrier modulation.

In this paper, several algorithms of multi carrier wireless communication are studied, and the enhancement algorithm is proposed. First of all, this thesis introduces the principle of OFDM, and the application of this algorithm in visible light communication. And then it mainly introduces the two forms of OFDM: with the DC bias of the OFDM (DCO-OFDM) and asymmetrically clipped optical OFDM (ACO-OFDM). Using MATLAB software, we simulate the bit error rate performance of different algorithms in both AWGN and multipath channel under different conditions. We then investigated enhanced algorithms for DCO-OFDM and ACO-OFDM. In addition, a new type system referred to as ADO-OFDM, which combines the principles of DCO-OFDM and ACO-OFDM, is also studied in this thesis.In the process of the simulation, the different algorithms are compared, and the advantages and disadvantages of different algorithms are summarized.

Key words： visible light communication, multi-carrier, orthogonal frequency division multiplexing, DCO-OFDM, ACO-OFDM, ADO-OFDM

目录

第一章 绪 论 6

1.1 课题背景 6

1.2 可见光通信的发展现状 6

1.3 OFDM技术的发展 7

1.4主要研究内容 7

1.5文献综述 8

1.6论文具体编排： 9

第二章 室内可见光通信系统 11

2.1室内可见光系统通信原理 11

2.2可见光通信的信道特点 12

2.2.1可见光通信的信道特点 12

2.2.2抑制码间干扰和多径效应的方法 13

2.3本章总结 13

第三章 基于 OFDM的可见光多载波无线通信算法研究 14

3.1 正交频分复用 14

3.2 OFDM系统的特点 16

3.3本章总结： 17

第四章 基于不同方式的可见光多载波无线通信算法研究 18

4.1.基于DCO-OFDM的无线光通信检测算法研究 18

4.1.2 加强型DCO-OFDM算法 22

4.1.3本节总结 25

4.2 基于ACO-OFDM系统的多载波可见通信研究 25

4.2.1 ACO-OFDM系统检测算法 25

4.2.2 ACO-OFDM增强型算法 27

4.2.3ACO-OFDM与DCO-OFDM比较 28

4.2.4 本节总结 29

4.3 基于ADO-OFDM的多载波可见光通信研究 29

4.3.1 ADO-OFDM系统检测算法 30

4.3.2ADO-OFDM增强型算法 31

4.3.3本节总结 32

致谢 34

参考文献 35

第一章 绪 论

1.1 课题背景

可见光通信（visible light communication,VLC）作为一种新兴的无线通信方式，越来越受到人们的关注。可见光通信能够实现较短距离内的高速无线传输，与传统的射频技术相比，这种无线通信方式具有信息容量大、安全绿色、容易部署等特点，所以在最近几年中发展较为迅速，而伴随着可见光通信的发展，其相关的检测算法也在快速的发展之中。

可见光无线通信主要采用强度调制、直接检测技术（Intensity modulation／direct detection IM／DD)。发射端采用发光二极管（Light—emitting diode，LED)作为光源，与其他光源相比，LED作为光源具有较低的成本和较长的使用寿命的特点。LED的发射信号是功率信号，没有极性，接收端用光电二极管（PD)进行接收，可以将光功率信号变化为电流信号。

IM／DD的主要的调制方式包括：开关键控(On off keying，OOK)，脉冲位置调制( Pulse position modulation，PPM)， 直流偏置光正交频分复用调制(DC—biased optical orthogonal frequency division multiplexing，DCO-OFDM)，非对称修剪光正交频分复用调制(Asymmetrically clipped optical OFDM，ACO-OFDM)以及脉冲幅度调制离散多音(Pulse amplitude modulated discrete multitone，PAM-DMT)等。当采用IM／DD时，可见光无线通信的信道容量小于射频无线通信的信道容量^{[13][14][15][16]}。

1.2 可见光通信的发展现状

可见光通信可以分为两大类：室内可见通信系统和室外可见光通信系统。室外可见光系统主要收到云，雾，烟等大气环境和自然光的影响。而室内可见光系统则受到了室内光源如白炽灯和荧光灯的影响，还有墙壁和室内的物体，也会对室内可见光系统造成一定的影响^[12]。

（1）室外可见光系统的发展

日本是最早提出了在智能交通系统（ITS）中采用光通信技术的国家。该国在室外可见光通信系统上的设计主要应用如下：交通信号灯对数据完成电光转换与调制，充当发射源，行驶中的汽车对接收信号进行光电转换与解调，充当接收端。此方案的缺点在于缺乏合适的光源。

1998年，香港大学G．Pang等人提出可以利用白光LED作为交通信号灯，将要传送的语音加载到LED灯上发送，实现数据传输，但因为系统中采用的是二进制开关键控调制方式，所以这种方法的缺点是系统速率比较低。

近几年，在室外无线光通讯方向上，主要有两种研究方向，一种是简单的交通信号灯与汽车的通信，另一种是汽车之间利用汽车灯进行通信。2006年，图像传感器被运用到智能交通系统中

（2）室内可见光系统

相比于室外可见光系统，室内可见光系统研究的更广泛，所取得的成果也更多，总的来说，是把白光LED按一定的排列方式布置在天花板上。这样，在满足照明的同时，可以同时充当发射源的角色，将有用信息加载到LED灯上，LED发出光线的同时发送信号，接收端运用光电转化器接收光信号，把信号经过转换器再解调出来，从而实现了室内有效通信^[2][5][11]。

2000年，庆应大学的Tanaka提出了基于LED灯的室内可见光通信系统，并同时对系统进行数学建模与仿真，对LED灯能发挥照明与通信两种功效的可行性分析。他们认为，LED光源能够满足Lambertian照射模型，信道主要有反射信道和直射信道两种，光调制形式为强度调制／直接检测(IM／DD)，并且得出了系统在速率小于10Mb／s情况下是具有可行的，码间干扰和多径效应是对性能产生影响的主要因素的结论^[2][12]。

我国室内无线光通信起步较晚，目前主要在基础方面进行研究，缺乏重点突破，并且研究主要是仿真，实践科研工作比较少，所以把室内无线光通信应用到实际生活中还有很长的一段时间，还需要进一步的努力。

1.3 OFDM技术的发展

正交频分复用OFDM技术不仅仅是一种调制方式，还作为一种复用形式。OFDM技术起源于50年代中期，在1970年被正式提出并申请专利。1971年，科学家Weinstein和Ebert将DFT技术运用到并行传输系统中。20世纪80年代OFDM技术在调制解调器和数字调制传输方面有了进一步深入的研究。因为大规模集成电路发展，OFDM技术有了更加深入的发展。现阶段，OFDM已经被应用于非对称的数字用户环路、ETSI标准的数字音频广播、数字调制视频广播、和无线局域网(WLAN)等方面上^[5]。

1.4主要研究内容

本论文主要对多载波可见光通信进行研究，具体来说，对直流偏置光正交频分复用调制）DCO-OFDM与非对称修剪光正交频分复用调制（ACO-OFDM）两种多载波可见光通信算法进行研究，对两者利用matlab软件进行仿真。在DCO-OFDM上，针对不同的信道类型，不同的直流偏置量进行仿真，并确定不同变量将会对误比特率造成什么样的影响。对于ACO-OFDM，则是在AWGN信道和多径信道两种信道上进行仿真。对于直流偏置非对称修剪光正交频分复用技术（ADO-OFDM）这种新的检测技术，进行仿真，并将ADO-OFDM与ACO-OFDM和DCO-OFDM两种技术进行对比。

除此之外，还会对每一种检测算法进行优缺点比较，并且在其基本算法的基础上提出增强型算法。

1.5文献综述

在最近的几年中，对于无线传输的需求增长的异常的快，尤其在室内的环境当中，由于射频通信的相关限制，例如限定好的频谱和有限制的带宽，所以很多技术的探索的方向在于获得在室内的环境下连续不断得进行无线高速数据的传输。因为具有一些独特的优势，例如没有限制的，充裕的带宽；对环境友好；安全性高，无线光通信（OWC)被认为是一种在室内无线通讯方面具有吸引力的，可以替代射频技术系统的技术。

室内无线光通信系统主要分为两种：红外系统和可见光系统（VLC）。为了避免对眼睛造成伤害。红外系统的传输功率被严格限制在一个很小的范围内，因此造成了高速数据只能进行很短距离的传输。同时，由于发光二极管（LED）的快速发展和通信与照明的合流，可见光通信现在被认为是在室内通信中最重要的绿色技术之一。

传统的频分复用系统中，信号频段划分为N个互不重叠的频率子信道。信号被独立加载到各子信道上，将各信道信号复用发送出去。这种方式通过在各子信道问预留频段的方法减少了信道间的干扰，但是造成了频率的浪费，频谱利用率不高。

为了改善频率利用率，人们提出了OFDM技术[1]。正交频分复用（OFDM）被认为是一种在色散信道内高速数据传输的有效的方法。它将高速串行的数据流变成了低速并行的数据流，然后调制到每个子信道上进行传输，同时加入了循环前缀，能够有效地抵抗多径效应，使受干扰的信号仍能可靠地接受，对频带的利用率也比串行系统提高近一倍。

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